CN106247677A - 一种用于三联供热泵系统的控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于三联供热泵系统的控制器，包括硬件模块和软件模块，硬件模块包括核心处理器、电源供电电路、拨码开关电路、开关量输入电路、开关量输入电平转换电路、水位检测电路、三相电检测电路、继电器输出电路、继电器输出电平转换电路、电子膨胀阀输出电路、RS485通讯电路、应急按键电路、实时时钟电路和温度测量电路；软件模块用于控制热水、制冷、制热、地暖的运行。本发明结构设计合理，热泵系统根据分体的要求，全新开发电控，满足其各种功能与保护的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于三联供热泵系统的控制器，三联供热泵系统主要针对北方等低温地区对空调、地暖、热水的需求，控制器用于控制三联供热泵系统的智能运行。
背景技术
北方的环境由于冬季温度较低，一般的热泵系统耗能较大，在低温环境下制热和制热水的性能不佳，而且北方室内都要安装地暖，对热泵系统的能耗更大。
另外，由于北方气温低，热泵机组如果安装在室外容易冻裂，因此一般都安装在室内。但是安装在室内，有些机组噪音又很大，影响用户的正常生活。
一般的热泵系统中，机组长期使用后会结霜，影响正常使用，如果除霜又要设计一套专用的除霜设备，非常不便。
热泵系统一般具有地暖功能、制热水功能、制热功能、制冷功能，但是控制系统一般比较简单，容易产生故障，影响热泵系统的使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种设计合理，控制方便，对热泵系统防护效果好的用于三联供热泵系统的控制器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：它包括硬件模块和软件模块。
硬件模块包括核心处理器、电源供电电路、拨码开关电路、开关量输入电路、开关量输入电平转换电路、水位检测电路、三相电检测电路、继电器输出电路、继电器输出电平转换电路、电子膨胀阀输出电路、RS485通讯电路、应急按键电路、实时时钟电路和温度测量电路。
所述的核心处理器采用嵌入式8位微电脑芯片。
所述的电源供电电路通过变压器降压、整流、稳压，DC12V供继电器工作，DC5V供系统电压。
所述的拨码开关电路根据拨码开关来自动识别机型及联机模块地址。
所述的开关量输入电路包括高压开关、低压开关、水流开关、水压开关、联动开关；每个开关量接一个上拉电阻再经限流电流接入开关量输入电平转换电路U3，U4（74HC165）；再由单片机处理器读取开关量状态。
所述的水位检测电路是对水箱内的水位进行检测，包括高水位、中水位、低水位、缺水检测。
所述的三相电检测电路包括缺相、反相的故障检测。
所述的继电器输出电路包括2路大功率20A继电器信号输出、10路小功率5A继电器信号输出，以及1路预留，用作故障报警输出或其它功能。
所述的电子膨胀阀输出电路包括2路电子膨胀阀输出，一路为主电子膨胀阀输出，另一路为辅路电子膨胀阀输出。
所述的RS485通讯电路包括2路RS485通讯接口，1路是用于显示面板联接和联机通讯控制，另1路则是预留扩展口。
所述的应急按键电路主要在显示面板坏掉的情况下用于应急启停开关用。另外，上电前按住应急按键可进入控制器硬件检测调试功能。
所述的实时时钟电路主要用于控制器的时间显示以及定时开停机。
所述的温度测量电路包括10路温度测量，分别测量水箱温度、进水温度、出水温度、盘管温度、回气温度、排气温度、环境温度、回水温度、板换温度、板后温度。
本发明所述的软件模块用于控制热水、制冷、制热、地暖的运行。
本发明所述的核心处理器采用8位单片机SM59R16A5，片内程序存储器64K，RAM 2K+256字节，两个全双工通信的串行接口UART0&UART1，三个16位定时器/计数器，8路10位模拟数字转换输入，内置EEPROM，44GPIO管脚，PQFP44封装。
本发明所述的开关量输入电平转换电路采用74HC165 并入串出芯片，将开关量输入信号经开关量输入电平转换，再输入单片机处理器中进行数据处理。该电路节省单片机管脚的硬件资源。
本发明所述的拨码开关电路中，拨码开关接上拉电阻后连接到开关量输入电平转换电路的74HC165芯片的管脚上，单片机处理器再经过开关量输入电平转换电路读取拨码开关的状态；主要用于常规机/低温机的机型选择，模块联机时的地址码设定。
本发明所述的电子膨胀阀输出电路的驱动芯片采用ULN2003，将单片机控制电子膨阀开度的电平信号输出给驱动芯片，再输出给电子膨胀阀。
本发明所述的实时时钟电路采用FS1002或DS1302的实时时钟芯片。精度高，功耗小等优点。
本发明所述的软件模块还包括自动化霜功能，温度测量、查询、设置功能，时钟设置及控制数据处理功能，保护功能数据判断及处理功能，控制模式切换及数据处理功能，用户参数设置功能，系统参数设置功能，主板应急启动按键功能，面板线控制器数据处理功能，开关量检测功能，继电器输出功能，电子膨阀输出功能，RS485通讯数据处理功能。
软件模块能实现以下功能：
1. 热水、制冷、制热、地暖、制冷+热水、制热+热水，地暖+热水、制热+地暖运行；
2. 可显示水箱温度及设置温度、制冷与制热温度及设置温度，具有查询功能(可查询盘管温度,环境温度、排气温度等)；
3. 各种参数设定及修正,掉电自动记忆各种参数，上电后可自动恢复运行；
4. 掉电后时钟仍然运行，省掉每次停电重新调整的烦恼；
5. 错峰用电功能，在24小时内可实现两段定时开关机；
6.具有完善的保护功能(曲轴加热、防冻功能、三相电缺相、逆相保护、板换防冻等保护功能)；
7.故障代码显示查询(可查询压机不启动或压机卸载的故障原因)及键盘自动锁功能；
8.在没有面板（或面板损坏）的情况下，系统按最后一次参数设置运行；
9.主控板上带有紧急按钮，在没有面板（或面板损坏）的情况下开/关系统；
10.联动功能；联机能级调功能；
11.回水功能开关3时段定时；手动电加热功能。
本发明与现有技术相比，具有以下明显效果：结构设计合理，热泵系统根据分体的要求，全新开发电控，满足其各种功能与保护的需求。
附图说明
图1为本发明的硬件结构框图。
图2为本发明制硬件电路原理图。
图3为图2中继电器输出电路的放大电路图。
图4为图2中电子膨胀阀输出电路的放大电路图。
图5为图2中RS485通讯电路的放大电路图。
图6为图2中开关量输入电路的放大电路图。
图7为图2中水位检测电路的放大电路图。
图8为图2中三相电检测电路的放大电路图。
图9为图2中拨码开关电路的放大电路图。
图10为图2中核心处理器的放大电路图。
图11为图2中电源供电电路的放大电路图。
图12为图2中继电器输出电平转换电路的放大电路图。
图13为图2中开关量输入电平转换电路的放大电路图。
图14为图2中应急按键电路的放大电路图。
图15为图2中实时时钟电路的放大电路图。
图16为图2中温度测量电路的放大电路图。
图17为本发明的软件结构框图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
参见图1～图17，本实施例包括硬件模块和软件模块。
硬件模块包括核心处理器、电源供电电路、拨码开关电路、开关量输入电路、开关量输入电平转换电路、水位检测电路、三相电检测电路、继电器输出电路、继电器输出电平转换电路、电子膨胀阀输出电路、RS485通讯电路、应急按键电路、实时时钟电路和温度测量电路。
所述的核心处理器采用8位单片机SM59R16A5，片内程序存储器64K，RAM 2K+256字节，两个全双工通信的串行接口UART0&UART1，三个16位定时器/计数器，8路10位模拟数字转换输入（ADC），内置EEPROM，44GPIO管脚，PQFP44封装等。
所述的电源供电电路由变压器AC220输入，次级1：10V/0.6A，次级2：12V/0.1A输出。次级1 电源经整流二极管整流，电解电容滤波后产生VCC (12V左右)的直流电压，供电给驱动继电器的线圈电压同时供电给2路电子膨胀阀；VCC电压经U1 7805稳压管降压电容滤波后产生5V直流电压给整个系统的供电；次级2 Vac接水位检测供电电源。
所述的开关量输入电路中，开关量输入主要有联动开关、水压开关、水流开关、高压开关、低压开关；每个开关量接一个上拉电阻再经限流电流接入开关量输入电平转换电路U3，U4（74HC165）；再由单片机处理器读取开关量状态。
所述的开关量输入电平转换电路中，U3、U4 采用74HC165 并入串出芯片，将开关量输入信号经U3，U4电平转换，再输入单片机处理器中进行数据处理；该电路节省单片机管脚的硬件资源。
所述的拨码开关电路中，拨码开关接上拉电阻后连接到开关量输入电平转换电路的U3（74HC165）芯片的管脚上，单片机处理器再经过开关量输入电平转换电路读取拨码开关的状态；主要用于常规机/低温机的机型选择，模块联机时的地址码设定。
所述的水位检测电路中，水位检测需要提供一个交流检测电压，即次级2 12V/0.1A的交流电压，一端接Vac，另一端接地（公共端）；当水箱有水情况下，探头在检测电压先经过水箱中的水（导电）再流到2K限流电阻，光耦输入侧正向导通，光耦输出侧输出低电平，再经22uF电容虑波后接入开关量输入电平转换电路；当水箱没有水情况下，检测探头没有碰到水，检测电压不能经过水（导电）再流入2K限流电阻形成回路，光耦输入侧截止，所以光耦输出侧在49.9K的上拉电阻下输出高电平，再经22uF电容虑波后接入开关量输入电平转换电路；水位检测电路中4148二极管主要起旁路作用，因为水位检测供电只需要半个周期即可，另外半个周期不需要；水位检测分高、中、低水位三档，低水位时低水探头有信号，中水位时低水位、中水位探头同时有信号，高水位时低水位、中水位、高水位探头同时有信号。
所述的三相电检测电路中，三相电检测与水位检测原理相似，当三相电压供电压正常时，三相电压接入经120K限流电阻，光耦输入侧正向导通，光耦输出侧输出低电平，信号直接输入单片机检测引脚；当三相电压供电压缺相时，没有电流入120K限流电阻形成回路，光耦输入侧截止，所以光耦输出侧在5.6K的上拉电阻下输出高电平，信号直接输入单片机检测引脚；三相电检测电路中M7二极管主要起旁路作用，因为检测只需要半个周期即可，另外半个周期不需要。
所述的继电器输出电路中，继电器输出驱动芯片U7、U8采用ULN2003，将继电器输出电平转换电路的控制信号与U7，U8连接，控制13路继电器输出，其中2个继电器20A的触点容量，7个继电器5A的触点容量，3个继电器5A的常开、常闭两组触点容量；继电器输出共有13路分别为：循环泵、风机、压机、四通阀、补水、回水、曲轴、水电热、空电热、地暖阀、空调阀、三通阀、DO输出。
所述的继电器输出电平转换电路中，U12、U13采用74HC595串入并出芯片，将单片机输出控制继电器的信号电平转换，再输出至继电器输出电路中；该电路节省单片机管脚的硬件资源。
所述的电子膨胀阀输出电路中，电子膨胀阀驱动芯片U8、U9采用ULN2003，将单片机控制电子膨阀开度的电平信号输出给U8，U9驱动芯片，再经JP21，JP22接口输出给电子膨胀阀；电子膨胀阀输出共有2路，一路为主电子膨胀阀输出，另一路为辅路电子膨胀阀输出。
所述的RS485通讯电路中，第1路RS485通讯U10采用MAX485芯片，将单片机串口0电平信号转换成RS485标准信号， RS485输出信号分A与B两个信号；A信号经PTC1自恢复保险管，接10K上接电阻，B信号再经PTC2自恢复保险管，接10K下拉电阻，再经COM1，COM2接口输出，其中COM1口还带有5V电源主要用于显示面板的供电以及通讯；COM2接口用于模块联机通讯接口用；第2路RS485通讯U15同样采用MAX485芯片，将单片机串口1电平信号转换成RS485标准信号，A信号接10K上接电阻，B信号接10K下拉电阻，再经COM3接口输出；COM3接口通讯保留备用，为以后的功能升级用（变频三联供）作准备。
所述的应急按键电路中，按键接10K上拉电阻，经104电容滤波去按键抖动信号，再接入单片机检测管脚；应急按键顾名思义应急用的按键主要在显示面板坏掉的情况下用于应急启停开关用。另外，上电前按住应急按键可进入控制器硬件检测调试功能。
所述的实时时钟电路中，实时时钟芯片U11采用FS1002（DS1302替代型号）实时时钟芯片，精度高，功耗小等优点；当系统电压供电时5V经4148二极管给U11供电；当系统电压断电时BT1 供电，BT1为0.22F/5V超级电容在系统供电时可以存储电能，在断电时给U11供电从而保持时钟数据不丢失。
所述的温度测量电路中，外接温度传感器经5.6K电阻上接，再经10K电阻限流，104电容虑波，信号接入U5、U6 74HC4051芯片进行电平转换后再接入单片机的引脚中，单片机根据采样读取的数据进行计算出实际测量的温度；温度测量共有10路主要有水箱、进水、出水、盘管、排气、环境、回气、回水、板换、阀后温度。
本实施例中，所述的软件模块还包括自动化霜功能，温度测量、查询、设置功能，时钟设置及控制数据处理功能，保护功能数据判断及处理功能，控制模式切换及数据处理功能，用户参数设置功能，系统参数设置功能，主板应急启动按键功能，面板线控制器数据处理功能，开关量检测功能，继电器输出功能，电子膨阀输出功能，RS485通讯数据处理功能。
自动化霜功能:
1、根据化霜条件判断，满足条件进入自动化霜；
2、化霜退出盘管温度达到15度以上或时间超8分钟；
3、三联供热泵系统除制冷模式不化霜外，其余都需要化霜。
温度快捷设置功能：
1、根据机型及模式设置各个控制温度点；
2、t0:热水温度；t1：制热温度；t2：制冷温度；t3：地暖温度。
温度及开度查询功能：
1、查询机组监控的各个温度；
2、查询机组主路及辅路的电子膨胀阀当前开度；
3、查询联机时各个从机模块的温度及电子膨胀阀开度。
时钟设置及控制数据处理功能：
1、面板时钟校对设置，数据更新保存时钟芯片；
2、更新读取时钟芯片时间值。
保护功能数据判断及处理功能：
1、压机3分钟保护；2、水流开关保护；3、排气高温保护；4、高压压力保护；5、低压压力保护；6、传感器故障保护；7、三相电保护；8、防冻保护；9、进出水温差过大保护；10、制热出水温度过高保护；11、制冷出水温度过低保护；12、盘管（翅片）温度过高保护。
控制模式切换及数据处理功能：
A、三联供+地暖机型： 1、热水模式；2、制热模式；3、制冷模式；4、地暖模式；5、制热+热水模式；6、制冷+热水模式；7、地暖+热水模式；8、制热+地暖+热水模式；
B、三联供机型： 1、热水模式；2、制热模式；3、制冷模式；4、制热+热水模式；5、制冷+热水模式；
C、空调机型：1、制热模式。
用户参数设置功能：
1、水箱温度、制热温度、制冷温度等；
2、联机模块的开启及热水功能的设置。
系统参数设置功能：
1、保护类控制设置；
2、化霜类控制设置；
3、主路电子膨胀阀设置；
4、辅路电子膨胀阀设置；
5、机型配置设置。
主板应急启动按键功能：
面板故障时，按下应急启动按键，机组开启按最近一次参数设置运行。
面板线控制器数据处理功能：
1、按键操作数据处理；
2、面板显示内容数据处理。
温度测量功能：
1、10路温度测量主要有水箱温度、进水温度、出水温度、盘管温度、回气温度、排气温度、环境温度、回水温度、板换温度、板后温度；
2、温度传感器故障检测判断。
开关量检测功能：
1、三相电检测（反相、缺相）；
2、拨码开关检测（常机/低温机，联机地址）；
3、水位检测（高、中、低、缺水）；
4、高压开关（高压保护）、低压开关（低压保护）、水流开关（缺水保护）、水压开关（备用）、联动开关（远程联动开关）检测。
继电器输出功能：
1、12路继电器循环泵、风机、压机、四通阀、补水阀、回水阀、曲轴、水电热、空电热、地暖阀、空调阀、三通阀继电器等的吸合与关闭的驱动；
2、1路继电器干结点输出驱动，作故障报警输出或其它功能的预留。
电子膨阀输出功能：
1、主路与辅路电子膨胀阀的驱动；
2、主路电子膨胀阀开度调节数据处理；
3、辅路电子膨胀阀开度调节数据处理；
4、主路电子膨胀阀开度保护处理；
5、辅路电子膨胀阀开度保护处理。
RS485通讯数据处理功能：
1、第1路RS485通讯数据处理与显示面板显示内容及按键值数据通讯；模块联机参数设置，从机温度、故障报警、运行状态的通讯数据交换；
2、第2路RS485通讯接口预留备用，以便将来开发变频三联供与变频控制板数据通讯用。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，只要其零件未说明具体形状和尺寸的，则该零件可以为与其结构相适应的任何形状和尺寸；同时，零件所取的名称也可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：它包括硬件模块和软件模块，
硬件模块包括核心处理器、电源供电电路、拨码开关电路、开关量输入电路、开关量输入电平转换电路、水位检测电路、三相电检测电路、继电器输出电路、继电器输出电平转换电路、电子膨胀阀输出电路、RS485通讯电路、应急按键电路、实时时钟电路和温度测量电路，
所述的核心处理器采用嵌入式8位微电脑芯片；
所述的电源供电电路通过变压器降压、整流、稳压，DC12V供继电器工作，DC5V供系统电压；
所述的拨码开关电路根据拨码开关来自动识别机型及联机模块地址；
所述的开关量输入电路包括高压开关、低压开关、水流开关、水压开关、联动开关；每个开关量接一个上拉电阻再经限流电流接入开关量输入电平转换电路U3，U4（74HC165）；再由单片机处理器读取开关量状态；
所述的水位检测电路是对水箱内的水位进行检测，包括高水位、中水位、低水位、缺水检测；
所述的三相电检测电路包括缺相、反相的故障检测；
所述的继电器输出电路包括2路大功率20A继电器信号输出、10路小功率5A继电器信号输出，以及1路预留；
所述的电子膨胀阀输出电路包括2路电子膨胀阀输出，一路为主电子膨胀阀输出，另一路为辅路电子膨胀阀输出；
所述的RS485通讯电路包括2路RS485通讯接口，1路是用于显示面板联接和联机通讯控制，另1路则是预留扩展口；
所述的温度测量电路包括10路温度测量，分别测量水箱温度、进水温度、出水温度、盘管温度、回气温度、排气温度、环境温度、回水温度、板换温度、板后温度。
2.根据权利要求1所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的软件模块用于控制热水、制冷、制热、地暖的运行。
3.根据权利要求1所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的核心处理器采用8位单片机SM59R16A5，片内程序存储器64K，RAM 2K+256字节，两个全双工通信的串行接口UART0&UART1，三个16位定时器/计数器，8路10位模拟数字转换输入，内置EEPROM，44GPIO管脚，PQFP44封装。
4.根据权利要求1或3所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的开关量输入电平转换电路采用74HC165 并入串出芯片，将开关量输入信号经开关量输入电平转换，再输入单片机处理器中进行数据处理。
5.根据权利要求4所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的拨码开关电路中，拨码开关接上拉电阻后连接到开关量输入电平转换电路的74HC165芯片的管脚上，单片机处理器再经过开关量输入电平转换电路读取拨码开关的状态。
6.根据权利要求1或3所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的电子膨胀阀输出电路的驱动芯片采用ULN2003，将单片机控制电子膨阀开度的电平信号输出给驱动芯片，再输出给电子膨胀阀。
7.根据权利要求1或3所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的实时时钟电路采用FS1002或DS1302的实时时钟芯片。
8.根据权利要求2所述的用于三联供热泵系统的控制器，其特征在于：所述的软件模块还包括自动化霜功能，温度测量、查询、设置功能，时钟设置及控制数据处理功能，保护功能数据判断及处理功能，控制模式切换及数据处理功能，用户参数设置功能，系统参数设置功能，主板应急启动按键功能，面板线控制器数据处理功能，开关量检测功能，继电器输出功能，电子膨阀输出功能，RS485通讯数据处理功能。
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